PERBANDINGAN ANALISIS PRESSURE DROP PADA PIPA

PERBANDINGAN ANALISIS PRESSURE DROP PADA PIPA LENGKUNG 900
STANDAR ANSI B36.10 DENGAN COSMOSfloWorks 2007
WENDY PRIANA NEGARA.
Fakultas Industri, Jurusan Teknik Mesin. [email protected]
ABSTRAKSI
Pada dasarnya aliran fluida dalam pipa akan mengalami penurunan tekanan atau pressure
drop seiring dengan panjang pipa ataupun disebabkan oleh gesekan dengan permukaan
saluran, dan juga ketika aliran melewati sambungan pipa, belokan, katup, difusor, dan
sebagainya. Maka simulasi analisis dengan COSMOSfloWorks ini akan menganalisis
perbedaan besar pressure drop tersebut terhadap jari- jari lengkung dan diameter pipa
lengkung schedule 40 standar ANSI B36.10. Hasil analisis didapat tekanan maksimum tertinggi
ada pada pipa lengkung 1 yaitu sebesar 208509 Pa, sedangkan tekanan maksimum paling
rendah ada pada pipa lengkung 7 yaitu sebesar 102975 Pa. Dan nilai pressure drop terbesar
ada pada pipa lengkung 1 dengan jari-jari lengkung sebesar 880 mm dan diameter dalam pipa
sebesar 202.7 mm adalah 42105 Pa, Sedangkan nilai pressure drop terkecil ada pada lengkung
7 dengan jari-jari lengkung sebesar 2440 mm dan diameter dalam pipa sebesar 574.6 mm
adalah 767 Pa.
Kata Kunci : Pressure Drop, Standar ANSI B36.10, Pipa Lengkung 900
1. Pendahuluan
Penggunaan pipa banyak digunakan
oleh umum, baik perusahaan-perusahan
sebagai pendistribusian air minum, minyak
maupun gas bumi. Demikian juga dengan
kebutuhan air pada rumah tangga,
penggunaan pipa ini paling banyak
digunakan baik untuk penyaluran air bersih
maupun
sanitasi.
dikarenakan
pipa
merupakan sarana pendistribusian fluida
yang murah, memiliki berbagai ukuran dan
bentuk penampang. Baik berpenampang
lingkaran maupun kotak. Material pipa
bermacam-macam, yaitu baja, plastik, PVC,
tembaga, kuningan, acrylic, dan lain
sebagainya.
Pada dunia industri tentunya
efisiensi dan kualitas produk yang
dihasilkan akan mempunyai nilai lebih,
karena dengan efisiensi produk yang tinggi
maka biaya yang diperlukan dapat ditekan
dan harga jual produk lebih kompetitif. Dan
salah satu teknologi yang berguna untuk
meningkatkan efisiensi yang tinggi adalah
dalam
penggunaan
pipa
dalam
pendistribusian fluida cair untuk proses
produksi dan kebutuhan air minum, dan lain
sebagainya.
Kebutuhan air yang harus dipenuhi
akan menentukan tipe dan ukuran sistem
distribusi jaringan pipa yang di inginkan.
Bila
tekanan
rendah
maka
akan
menimbulkan
masalah
dalam
pendistribusian jaringan pipa. Namun bila
tekanan terlalu besar akan menyebabkan
kehilangan energi.
Fluida, terutama air dan gas
merupakan zat yang tidak bisa lepas dalam
kehidupan kita sehari – hari, dimanapun
kita berada. Fenomena–fenomena dalam
fluida dan pendistribusiannya dapat
dipelajari dalam ilmu fisika atau secara
spesifik dapat di dalami dalam ilmu
mekanika fluida dan perpipaan.
Dan dalam pendistribusian air
tersebut sering sekali dipakai sambungan
pipa (fittings), pipa lengkung, maupun
flange. Tetapi dalam pendistribusian fluida
yang digunakan untuk membelokan arah
aliran fluida dipakailah pipa lengkung
atupun elbow. Pipa lengkung maupun
elbow terdiri dari bermacam-macam
klasifikasi, tergantung dari radius lengkung,
sudut lengkung, maupun ada atau tidaknya
tangent. Pada dasarnya aliran fluida dalam
pipa akan mengalami penurunan tekanan
atau pressure drop seiring dengan panjang
pipa ataupun disebabkan oleh gesekan
dengan permukaan saluran, dan juga ketika
aliran melewati sambungan pipa, belokan,
katup, difusor, dan sebagainya. Dan pada
semua pipa lengkung fluida akan
mengalami pressure drop, termasuk pada
pipa lengkung 900, tetapi yang menjadi
catatan perbedaan besar pressure drop
tersebut terhadap jari- jari lengkung dan
diameter pipa lengkung tersebut.
2. Dasar Teori
2.1
Mekanika Fluida
Mekanika fluida merupakan ilmu
yang mempelajari keseimbangan dan
gerakan zat cair maupun gas, serta gaya
tarik dengan benda–benda disekitarnya atau
yang dilalui saat mengalir. Fluida dapat
dibedakan menjadi dua jenis, yaitu zat cair
dan gas. Perbedaan antara keduanya juga
bersifat teknis, yaitu berhubungan dengan
akibat gaya kohesif. Zat cair terdiri atas
molekul-molekul tetap dan rapat dengan
gaya kohesif yang relatif kuat, sehingga
cenderung mempertahankan volumenya dan
akan membentuk permukaan bebas yang
rata dalam medan gravitasi. Sebaliknya gas,
karena terdiri dari molekul-molekul yang
tidak rapat dengan gaya kohesif yang cukup
kecil (dapat diabaikan).
Sehingga volume gas dapat memuai
dengan bebas dan terus berubah. Secara
mekanis, sebuah fluida adalah suatu
substansi yang tidak mampu menahan
tekanan tangensial. Hal ini menyebabkan
fluida pada keadaan diamnya berbentuk
mengikuti bentuk wadahnya. Istilah fluida
sendiri di dalam mekanika fluida adalah zat
yang yang akan berdeformasi terus menerus
selama dipengaruhi oleh tegangan geser.
Tegangan geser terjadi apabila ada gaya
tangensial pada sebuah permukaan. Secara
umum fluida dibagi dua, yaitu fluida statik
dan fluida dinamik. Fluida statik adalah
fluida yang diam atau tegangan gesernya
nol, atau tidak bergerak, sedangkan fluida
dinamik adalah fluida yang bergerak atau
tegangan gesernya tidak nol.[1]
2.2
Jenis-jenis Aliran Fluida
Aliran fluida terbagi berdasarkan
beberapa kategori, diantaranya berdasarkan
sifat pergerakannya adalah :
•
Uniform Flow
•
Merupakan aliran fluida yang
terjadi dimana besar dan arah dari
vektor-vektor kecepatan konstan
dari suatu titik ke titik selanjutnya
pada aliran fluida tersebut.
Non Uniform Flow
•
Aliran yang terjadi dimana besar
dan arah vektor-vektor kecepatan
fluida selalu berubah terhadap
lintasan aliran fluida tersebut, hal
ini terjadi apabila luas penampang
medium fluida juga berubah.
Steady Flow
•
Merupakan aliran yang terjadi
apabila
kecepatannya
tidak
dipengaruhi oleh waktu, sehingga
kecepatannya konstan pada setiap
titik pada aliran tersebut.
Non Steady Flow
Merupakan aliran yang terjadi
apabila ada suatu perubahan
kecepatan aliran tersebut terhadap
perubahan waktu.
Berdasarkan pengaruh tekanan terhadap
volume, fluida dapat digolongkan menjadi
2 yaitu:
1. Fluida
tak
termampatkan
(incompressible)
Pada kondisi ini fluida tidak
mengalami perubahan dengan
adanya
perubahan
tekanan,
sehingga fluida tak termampatkan.
2. Fluida
termampatkan
(compressible)
Pada keadaan ini, fluida mengalami
perubahan
volume
dengan
adanya
perubahan tekanan, sehingga fluida ini
secara umum disebut fluida termampatkan.
Fluida dapat juga dibedakan
berdasarkan kekentalannya, yaitu fluida
nyata (viscous fluid) dan fluida ideal (non
viscous fluid). Fluida nyata adalah fluida
yang
memiliki kekentalan, fluida ini dapat kita
jumpai dalam kehidupan sehari-hari
contohnya air dan udara. Sedangkan fluida
ideal, tidak ada dalam kehidupan seharihari dan hanya dipakai dalam teori dan
kondisi-kondisi khusus saja.[1]
Kemudian jenis aliran fluida berdasarkan
gaya yang terjadi pada fluida dibedakan
atas :
• Aliran Laminar
Aliran dengan fluida yang bergerak
dalam lapisan – lapisan, atau
lamina –lamina dengan satu lapisan
meluncur secara lancar . Dalam
aliran laminar ini viskositas
berfungsi
untuk
meredam
kecendrungan terjadinya gerakan
relative antara lapisan.
• Aliran Turbulen
Aliran dimana pergerakan dari
partikel – partikel fluida sangat
tidak menentu karena mengalami
percampuran serta putaran partikel
antar lapisan, yang mengakibatkan
saling tukar momentum dari satu
bagian fluida kebagian fluida yang
lain dalam skala yang besar. Dalam
keadaan aliran turbulen maka
turbulensi
yang
terjadi
membangkitkan tegangan geser
yang merata diseluruh fluida
sehingga menghasilkan kerugian –
kerugian aliran.
• Aliran Transisi
Aliran transisi merupakan aliran
peralihan antara aliran laminar dan
aliran turbulen.
2.3
Bilangan Reynolds
Bilangan
Reynolds
aliran
digunakan untuk menunjukkan sifat utama
aliran, yaitu apakah aliran adalah laminar,
turbulen, atau transisi serta letaknya pada
skala yang menuujukkan pentingnya secara
relatif kecenderungan turbulen berbanding
dengan laminar.[1]
Re =
VDρ
(2.1)
µ
Dimana :
V = kecepatan aliran fluida (m/s)
D = diameter dalam pipa (m)
3
ρ = massa jenis fluida (kg/m )
µ = viskositas dinamik fluida (kg/m.s)
Pada fluida air, suatu aliran diklasifikasikan
laminar apabila aliran tersebut mempunyai
bilangan Reynolds (Re) kurang dari 2300.
Untuk aliran transisi berada pada bilangan
2300 < Re < 4000, disebut juga sebagai
bilangan Reynolds kritis. Sedangkan untuk
aliran turbulen mempunyai bilangan
Reynolds lebih dari 4000.
2.4
Rapat Jenis (Density)
Rapat jenis atau density ( ρ ) adalah
ukuran konsentrasi suatu zat dan dinyatakan
dalam satuan massa per satuan volume.
Sifat ini ditentukan dengan cara
menghitung ratio massa zat yang
terkandung dalam suatu bagian tertentu
terhadap
volume
bagian
tersebut.
Hubungannya dapat dinyatakan sebagai
berikut :
ρ=
dm
dv
(kg/m3)
(2.2)
dimana :
m = massa fluida (kg)
V = volume fluida (m3)
Besar nilai rapat jenis dipengaruhi
oleh temperatur, semakin tinggi temperatur
maka kerapatan fluida akan berkurang
dikarenakan gaya kohesi dari molekulmolekul fluida menjadi berkurang.[2]
2.5
Viskositas
Viskositas fluida adalah ukuran
ketahanan suatu fluida terhadap deformasi
atau
perubahan
bentuk.
Viskositas
dipengaruhi oleh temperatur, tekanan,
kohesi dan laju perpindahan momentum
molekularnya.
Viskositas
zat
cair
cenderung menurun dengan seiring
bertambahnya kenaikan temperatur hal ini
disebabkan gaya – gaya kohesi pada zat cair
bila dipanaskan akan mengalami penurunan
dengan semakin bertambahnya
temperatur pada zat cair yang menyebabkan
berturunnya viskositas dari zat cair
tersebut.[2]
Viskositas dibedakan atas dua macam yaitu
:
1. Viskositas kinematik, adalah
perbandingan antara viskositas
mutlak terhadap rapat jenis / density
υ=
µ
ρ
(m2/s)
dimana :
nilai dari viskositas mutlak
atau viskositas dinamik
(kg./m.s)
nilai kerapatan massa
ρ=
fluida (kg/m3)
2. Viskositas dinamik atau viskositas
mutlak mempunyai nilai sama
dengan hukum viskositas Newton.
τ
(kg/m.s)
du / dy
(2.4)
dimana :
τ = tegangan geser pada fluida
(N/m2)
du/dy = gradient kecepatan
((m/s)/m)
2.6
Debit Aliran Fluida
Debit aliran fluida merupakan
rumus yang digunakan untuk menghitung
kecepatan aliran fluida, yaitu sebagai
berikut :
Q=
∀
t
V =
V =
(2.5)
Kemudian dari persamaan kontinuitas akan
didapat :
1
Q = AV , dimana A = πD 2
4
Q
A
Q
1
πD 2
4
(2.6)
dimana :
Q = debit aliran (m3/s)
A = luas penampang (m2)
V = kecepatan aliran fluida (m/s)
∀ = volume fluida (m3)
(2.3)
µ=
µ=
maka
kecepatan aliran dalam suatu
penampang adalah :
2.7
Fluida Newtonian dan Fluida
Non-Newtonian
Fluida berdasarkan tegangan geser
yang dihasilkan dibagi menjadi dua macam
yaitu fluida Newtonian dan fluida NonNewtonian. Fluida Newtonian merupakan
fluida yang memiliki hubungan linear
antara rate of share dan besarnya tegangan
geser yang terjadi pada permukaan dinding
pipa dan laju perubahan bentuk yang
terjadi. Dapat diartikan bahwa viskositas
dinamik fluida konstan. Sedangkan fluida
Non-Newtonian merupakan fluida yang
memiliki hubungan tidak linear antara
tegangan geser yang terjadi dan laju
perubahan bentuknya. Umumnya zat cair
yang encer dan gas merupakan jenis fluida
yang bersifat Newtonian, sedangkan suatu
zat hidrokarbon yang berantai panjang dan
kental bersifat Non-Newtonian. Sementara
suatu zat tiksotropik mempunyai viskositas
yang tergantung pada perubahan zat
langsung sebelumnya dan memiliki
kecenderungan mengental apabila fluida
tersebut diam, contohnya adalah tinta cetak.
Lalu plastik ideal merupakan hubungan
tegangan searah tertentu dan hubungan
linear yang konstan antara tegangan geser
dan laju perubahan bentuk.[3]
2.9
Persamaan Bernoulli
P
ρ
Gambar 2.1 Diagram Rheologi[2]
2.8
Persamaan Kontinuitas
Prinsip dasar persamaan kontinuitas
adalah massa tidak dapat diciptakan dan
tidak dapat dimusnahkan, dimana massa
dalam suatu sistem yang konstan dapat
dinyatakan dengan rumus :
ρAV = m = kons tan (2.7)
Jika
aliran
fluida
bersifat
incompressible dan steady flow, maka
persamaan menjadi :
(2.8)
Q = A1V1 = A2 V2
dimana :
Q = debit aliran (m3/s)
A = luas penampang (m2)
V = kecepatan aliran (m/s)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
1 = masuk dalam sistem
2 = keluar batas sistem
+
V2
+ gz = konstan
2
(2.9)
dimana :
ρ = massa jenis fluida (kg/m2)
V = kecepatan aliran fluida (m/s)
P = tekanan pada suatu titik aliran
fluida (Pa)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
z = tinggi suatu titik dari
permukaan (m)
Tabel 2.1 Sifat –sifat air[2]
2.10
Aliran dalam Saluran Tertutup
Saluran tertutup atau saluran pipa
biasanya digunakan untuk mengalirkan
fluida di bawah tekanan atmosfer (tampang
aliran penuh), karena apabila tekanan di
dalam pipa sama dengan tekanan atmosfer
(zat cair di dalam pipa tidak penuh), maka
aliran termasuk dalam pengaliran terbuka.
Fluida yang dialirkan melalui pipa bisa
berupa zat cair atau gas dan tekanan bisa
lebih besar atau lebih kecil dari tekanan
atmosfer. Tekanan atmosfer adalah tekanan
dipermukaan zat cair di sepanjang saluran
terbuka. Pada pipa yang alirannya tidak
penuh dan masih ada rongga yang berisi
udara maka sifat dan karakteristik alirannya
sama dengan aliran pada saluran terbuka.[4]
Untuk aliran tidak mampu mampat
(incompressible) dan steady di dalam pipa,
dinyatakan dalam kerugian tinggi tekan.
Untuk perhitungan dalam pipa umumnya
dipakai persamaan Darcy Weisbach.
Persamaan Darcy Weisbach adalah sebagai
berikut :
hf = f
L V2
(m)
D 2g
(2.10)
dimana :
L = panjang pipa (m)
V= kecepatan rata-rata aliran fluida
(m/s)
f = factor gesek (tidak berdimensi)
D = diameter pipa (m)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
2.11
akan menimbulkan gaya gesek yang akan
menyebabkan kehilangan energi di
sepanjang pipa dengan diameter konstan
pada aliran seragam. Kehilangan energi
sepanjang satu satuan panjang akan konstan
selama kekasaran dan diameter tidak
berubah.
Head loss minor, kehilangan energi akibat
perubahan penampang dan
aksesoris
lainnya. Misalnya terjadi pada perubahan
arah
seperti
pembelokan
(elbow),
bengkokan (bends), pembesaran tampang
(expansion), serta pengecilan penampang
(contraction). Kehilangan energi sekunder
atau head loss minor ini akan
mengakibatkan adanya tumbukan antara
partikel zat cair dan meningkatnya gesekan
karena turbulensi serta tidak seragamnya
distribusi kecepatan pada suatu penampang
pipa. Adanya lapisan batas terpisah dari
dinding pipa maka akan terjadi olakan atau
pusaran air. Adanya olakan ini akan
mengganggu pola aliran laminer sehingga
akan menaikkan tingkat turbulensi.
Dalam mencari nilai head loss, nilai dari
faktor gesek juga diperlukan. Persamaan
untuk mencari faktor gesek ( f ) adalah
sebagai berikut :
• Aliran Turbulen
f =
•
0.316
Re1 / 4
(2.11)
Aliran Laminar
f =
64
NR
(2.12)
Kehilangan Energi (Head Loss)
Adanya kekentalan pada fluida
akan menyebabkan terjadinya tegangan
geser pada waktu bergerak. Tegangan geser
ini akan merubah sebagian energi aliran
menjadi bentuk energi lain seperti panas,
suara dan sebagainya. Pengubahan bentuk
energi tersebut menyebabkan terjadinya
kehilangan energi.[4] Secara umum head
loss dibagi menjadi dua macam, yaitu :
Head loss mayor , terjadi akibat adanya ke
kentalan zat cair dan turbulensi karena
adanya kekasaran dinding batas pipa dan
2.12
Kehilangan Energi (tekanan)
Akibat Gesekan Sepanjang Pipa
berdasarkan
penelitian Hazen
William dan Chezy :
hf =
10.666
L
x 4.87 xQ1.85
1.85
C
D
hf dapat juga didekati dengan rumus :
(2.13)
Tabel 2.3 Nilai k untuk Pipa Lengkung
L
hf = 0.0826 xCx 5 xQ 2
D
(2.14)
sebagai fungsi R/D[2]
R/D
hf
L
C
D
Q
dimana :
=Kehilangan tinggi tenaga (m)
= Panjang Pipa (m)
=Koefisien kekasaran Pipa dari
Hazen dan William
= Diameter pipa (m)
= Debit aliran (m3 / s)
Tabel 2.2 Koefisien Hazen
William[2]
NILAI C
JENIS PIPA
140
130
120
110
100
95
60 - 80
Pipa sangat halus
Pipa halus, semen
dan baja tuang
baru
Pipa baja di las
baru
Pipa baja di
kelilingi baru
Pipa besi tua
Pipa Baja di
kelilingi tua
pipa tua
2.13
Kehilangan
Energi
Akibat
Sambungan-Sambungan
Pipa
dan Belokan Pipa
berdasarkan rumus Darcy –
Weisbach :
V2
atau
2g
hf = 0.051KV 2
hf = K
(2.15)
dimana :
hf = Kehilangan tinggi tenaga (m)
V = kecepatan aliran fluida (m/s)
K = Koefisien yang besarnya ditentukan
oleh tipe sambungan dan atau sudut
belokan pipa
g = percepatan gravitasi (m/s2)
k
1
2
4
6
10
16
0.35 0.19 0.17 0.22 0.32 0.38 0.42
Pada analisis aliran fluida dalam
pipa ketika berada disekitar pintu masuk
atau inlet pipa aliran dianggap seragam atau
belum berkembang penuh. Seperti pada
banyak sifat lainnya dari aliran pipa, aliran
berkembang penuh berkorelasi dengan
bilangan Reynolds. Persamaan aliran
berkembang penuh adalah sebagai berikut :
ll
= 0,06 Re untuk aliran laminar (2.16)
D
ll
= 4,4 ( Re )1 / 6 untuk aliran turbulen
D
(2.17)
2.14
20
Pipa Lengkung
Pipa lengkung merupakan suatu
jenis pipa yang dipasang untuk merubah
arah aliran. Perubahan arah aliran ini bisa
dalam bentuk sudut 450, atupun 900. Pipa
lengkung juga ada dalam bentuk short
radius ataupun long radius. Secara umum
pipa lengkung atau bend pipe ini
mempunyai berbagai macam ukuran
standar dan juga tebuat dari beberapa tipe
material yaitu steel, cast carbon steel,
plastic (PVC), kuningan, tembaga, dan lain
sebagainya. Penggunaan pipa lengkung ini
hampir selalu ada dalam suatu sistem
perpipaan dikarenakan fungsinya sebagai
alat untuk mengubah arah aliran.
Penyambungan pipa-pipa dengan pipa
lengkung ini ada dalam berberapa cara
yaitu penyambungan menggunakan ulir,
pengelasan, perekat untuk jenis pipa PVC
dan penyambungan menggunakan flens.[5]
operasi – operasi yang membentuk
part. Base feature merupakan
feature yang pertama kali dibuat.
Extension
file
untuk
part
SolidWorks adalah .SLDPRT.
2. Assembly. Adalah sebuah dokumen
dimana parts, feature dan assembly
lain /(Sub Assembly) dipasangkan /
disatukan bersama. Extension file
untuk SolidWorks Assembly adalah
.SLDASM.
Gambar 2.2 Pipa Lengkung[5]
2.15 SolidWorksdanCOSMOSFloworks
SolidWorks adalah software CAD 3D
yang dikembangkan oleh SolidWorks
Coorporation yang sekarang sudah
diakuisisi
oleh
Dassault
Systems.
SolidWorks dalam pengambaran model 3D
menyediakan feature-based, parametric
solid modeling. Feature- based dan
parametric ini yang akan
sangat
mempermudah bagi usernya dalam
membuat model 3D.[6]
3. Drawing. Adalah templates yang
digunakan untuk membuat gambar
kerja 2D engineering Drawing dari
single component (part) mauun
Assembly yang sudah kita buat.
Extension file Untuk SolidWorks
Drawing adalah .SLDDRW.
Gambar 2.4 Tampilan Template
SolidWorks[6]
Gambar 2.3 Tampilan Awal SolidWorks[6]
2.16
Templates SolidWorks
SolidWorks
menyediakan
templates utama yaitu:
3
1. Part. Adalah sebuah objek 3D yang
terbentuk dari feature – feature.
part
bisa
menjadi
sebuah
komponen pada suatu assembly,
dan juga bisa digambarkan dalam
bentukan 2D pada sebuah drawing.
Feature adalah bentukan dan
Karena
SolidWorks
adalah
software design yang berbasis parametrik
maka antara ke 3 templates diatas saling
berhubungan. Maka ketika suatu part
diubah maka part tersebut akan secara
otomatis berubah diassembly maupun di
drawing.[6]
3. Input Material dan Input
data sifat fluida kerja
4. Input Boundary Condition (
kondisi batasan aliran)
•
Processor (Solver)
Adalah
proses
pemecahan
masalah/solver dengan proses
perhitungan berdasarkan prinsip
metode elemen hingga, dimana
proses perhitungan tersebut dengan
data
input
dan
persamaanpersamaan yang terkait dilakukan
secara iteratif hingga mencapai
hasil yang konvergen. Yang
termasuk dalam proses ini adalah :
1. Persamaan-persamaan
aliran fluida ( Persamaan
Kontinuitas, Momentum,
dll.)
2. Tipe atau model aliran
(laminar, transisi, atau
turbulen).
•
Post-processor
Adalah proses dimana hasil
perhitungan ditampilkan dalam
bentuk gambar, grafik, vector
maupun simulasi animasi.
Gambar 2.5 Tampilan Jendela
SolidWorks[6]
2.17
COSMOSFloworks
COSMOSFloworks
merupakan
bagian software dari SolidWorks yang
berfungsi sebagai CAD dan CAE, dimana
software ini berfungsi untuk menganalisa
aliran fluida, heat transfer, reaksi pressure,
dan reaksi lainnya yang terjadi pada fluida.
Menggunakan prinsip dasar dari mekanika
fluida, dan persamaan-persamaan yang
berkaitan lainnya. Hal ini akan memberikan
gambaran hasil analisis dalam bentuk grafik
dan
nilai–nilai
output
pada
COSMOSFloworks.
Dan
COSMOSFloworks
juga
menggunakan prinsip meshing pada
penganalisaannya, yaitu suatu ruang yang
berisi fluida yang akan dianalisis dibagibagi dalam menjadi beberapa bagian atau
juga disebut sel. Pada setiap bagian ruang
akan terdapat kontrol-kontrol perhitungan
dengan batasan/boundary condition dan
domain yang telah ditentukan sebelumnya.
Secara umum penganalisaan menggunakan
COSMOSFloworks terdiri dari tiga tahap
yaitu :
• Pre-processor
adalah proses pertama sebelum
dilakukannya proses analisa dengan
menggunakan
software
COSMOSFloworks.Yang termasuk
dalam proses ini adalah:
1. Membangun
Geometri
(CAD)
2. Membuat Mesh
3. SIMULASI ALIRAN PADA PIPA
LENGKUNG 900
Pipa Lengkung 900
Pipa lengkung merupakan jenis
pipa yang sering dipakai dalam sistem
perpipaan, yaitu dalam distribusi fluida.
Pipa lengkung dapat terbuat dari berbagai
macam material dan jenis pipa lengkung
dapat dibedakan dari besar sudut, besar jarijari lengkung. Dalam pendistribusian fluida,
terutama
air
dan
gas
diperlukan
perencanaan penggunaan pipa lengkung
yang tepat.
Hal ini berguna untuk mencegah
penggunaan pipa lengkung yang tidak
sesuai kriteria, sehingga terjadi penurunan
tekanan atau pressure drop yang besar.
Yang menyebabkan proses pendistribusian
air menjadi tidak efektif dan efisien.
3.1
3.2
Flowchart dan Langkah
Langkah Simulasi
–
M u la i
Tabel 3.1 Data Spesifikasi dan Standar
Teknis Pipa
Bend ID(inside OD(outside
R
a
h
Pipe diameter) diameter) (mm) (mm) (mm)
R=
4D
(mm)
(mm)
M e n e n tu k a n m o d e l
p e n y e le s a ia n
Pipa
1
202.7
219
880
500
1380
M em buat M esh
Pipa
2
254.5
273
1090
500
1590
Pipa
3
303.3
325
1300
800
2100
Pipa
4
381.0
406
1620
800
2420
M e la k s a n a k a n P e rh itu n g a n
a ta u k o m p u ta s i
Pipa
5
428.7
457
1830
1200
3030
M e n a m p ilk a n h a s il s im u la s i
Pipa
6
477.8
508
2030
1200
3230
Pipa
7
574.6
610
2440
1500
3940
P e m b u a ta n m o d e l p ip a
le n g k u n g 9 0 0
M e m b u a t b o u n d ary
c o n d itio n
M e n e n tu k a n p a ra m e te r
p e n y e le s a ia n
S e le s a i
Gambar 3.1 Flowchart Pembuatan dan
Simulasi Analisis Pipa Lengkung 900
4. PEMBAHASAN
4.1
Gambar 3.2 Dimensi Pipa Lengkung yang
Dianalisis[7]
Analisis Simulasi
Dalam bab ini akan dibahas
mengenai hasil simulasi analisis pada pipa
1 sampai dengan pipa ke 7, untuk
menjelaskan perbedaan hasil antara nilai
pressure drop pada pipa 1 sampai dengan
pipa ke 7. Dan juga dapat dilihat
konsentrasi tekanan pada dinding dalam
pipa, serta dapat diketahui besar tekanan
maksimum dan minimumnya.
4.2
Analisis Hasil Simulasi pada Pipa
Lengkung
Pada pipa 1 sampai dengan pipa 7,
berdasarkan kontur tekanan didalam pipa,
terlihat dengan ditandainya warna biru
sebagai pressure minimum, sedangkan
merah sebagai pressure maksimum. Seperti
yang terlihat dan akan dijelaskan pada
gambar-gambar dibawah ini :
Kemudian dari hasil simulasi, yang
merupakan hasil {equation goal = SG inlet
av static pressure - SG outlet av static
pressure }didapat pressure drop pada tiap
pipa, seperti pada tabel di bawah ini :
Tabel 4.1 Hasil Perbandingan Pressure
Drop Pada Pipa Lengkung 900
SG
SG
Pressur
Pipa
R
e Drop
(mm) inlet av outlet
static
av
/ ∆P
pressur
static
(Pa)
e1
pressur
(Pa)
e 1(Pa)
Gambar 4.1 Kontur Tekanan pada Pipa 1
Dari gambar diatas dapat dijelaskan bahwa
tekanan minimum pada pipa 1 adalah
23878.2
Pa,
sedangkan
tekanan
maksimumnya adalah 208509 Pa. Dan juga
dapat dijelaskan bahwa hasil konsentrasi
kontur tekanan tinggi terjadi pada dinding
dalam sisi luar pipa lengkung dengan
tekanan antara 153120 Pa sampai tekanan
maksimum yaitu 208509 Pa, ditandai
dengan warna kuning muda hingga merah.
Sedangkan konsentrasi kontur tekanan
rendah terjadi pada dinding dalam pipa
lengkung dengan tekanan antara 23878.2 Pa
sampai dengan 79267.4 Pa ditandai dengan
warna biru tua dan biru muda. Sedangkan
tekanan sedang terjadi di sepanjang inlet
flow dan di tengah lengkungan, serta di
outlet flow ditandai dengan warna hijau
dengan tekanan antara 97730.4 Pa sampai
dengan 134657 Pa. Kemudian untuk pipa 2
sampai dengan pipa 7 berdasarkan kontur
tekanannya didapat seperti pada gambar
diatas , hanya nilai-nilai pressure yang
berbeda sesuai dengan tabel 4.2 dibawah
Pipa
1
880
143430
101325
42105
Pipa
2
1090
117455
101325
16130
Pipa
3
1300
110428
101325
9103
Pipa
4
1620
105175
101325
3850
Pipa
5
1830
103746
101325
2421
Pipa
6
2030
102870
101325
1545
Pip
a7
244
0
10209
2
10132
5
767
Dari hasil diatas, terdapat kecenderungan
pressure drop menurun seiring dengan
semakin besarnya jari-jari lengkung pada
pipa, kemudian dari penentuan curve length
dan pressure, serta curve length dengan
velocity pada masing-masing pipa lengkung
didapat hasil grafik perbandingan antara
length atau panjang curve pada pipa
lengkung dengan pressure, dan length
terhadap velocity. hasil dari iterasi simulasi
COSMOSfloWorks, Dari data pipa
lengkung terdapat kecenderungan kejadian
hasil analisis, yaitu kecepatan/velocity
mula-mula air akan naik seiring dengan
panjang curve length, lalu kemudian terjadi
kecepatan yang unstabil atau berubah- ubah
disepanjang pertengahan curve length,
kemudian kecepatan mulai menurun seiring
air yang keluar dari pipa lengkung. Sesuai
dengan data-data sebagai berikut :
Tabel 4.2 Keterangan Grafik dan Gambar
Kontur Pipa Lengkung 900
5. PENUTUP
5.1
Kesimpulan
Dari hasil analis perbandingan pressure
drop dan hasil tampilan grafik -grafik pipa
1 sampai pipa 7 pada bab sebelumnya,
dapat disimpulkan bahwa :
1. Pada pipa lengkung 900 ini besar
nilai pressure drop pada pipa
lengkung 1 sampai dengan pipa
lengkung 7 akan
semakin
menurun
seiring
dengan
bertambah besarnya R (jari-jari
lengkung) dan diameter pipa
lengkung.
2. Hasil yang ditampilkan pada
grafik juga menunjukan bahwa
pengaruh besar nilai pressure
terhadap curve length pada tiap
pipa lengkung akan semakin
menurun.
3. kecepatan/velocity mula-mula air
akan tinggi pada saat masuk pipa
lengkung seiring dengan panjang
curve length, lalu kemudian
terjadi kecepatan yang unstabil
atau berubah-ubah disepanjang
pertengahan
curve
length,
kemudian
kecepatan
mulai
menurun seiring air yang keluar
dari pipa lengkung.
4. Dari data hasil analisis pipa
lengkung sesuai dengan tabel 4.2
Dapat disimpulkan bahwa tekanan
maksimum tertinggi ada pada pipa
lengkung 1 yaitu sebesar 208509
Pa, sedangkan tekanan maksimum
paling rendah ada pada pipa
lengkung 7 yaitu sebesar 102975
Pa. Dan untuk tekanan minimum
tertinggi ada pada pipa lengkung 7
yaitu
sebesar
100146
Pa,
sedangkan tekanan minimum
terendah pada pipa lengkung 1,
yaitu sebesar 23878.2 Pa.
Sementara tekanan awal tertinggi
ada pada pipa lengkung 1 dengan
tekanan sebesar 143000.0792 Pa
dan tekanan awal terendah ada
pada pipa lengkung 7 dengan
tekanan sebesar 102086.7544 Pa.
Lalu untuk nilai velocity inlet
terbesar ada pada pipa lengkung
1, yaitu sebesar 24.98510335 m/s,
sedangkan yang terkecil untuk
velocity inlet ada pada pipa
lengkung 7, yaitu sebesar
3.11181641 m/s. Kemudian nilai
velocity outlet terbesar ada pada
pipa lengkung 1, yaitu sebesar
25.31552902 m/s dan yang
terkecil pada pipa lengkung 7,
yaitu sebesar 3.14533674 m/s.
Sementara
nilai
velocity
maksimum terdapat pada pipa
lengkung
1
dengan
nilai
25.67728021 m/s.
5. Hasil perbandingan pressure drop
yang didapat pada tabel 4.1 dapat
disimpulkan bahwa nilai pressure
drop terbesar ada pada pipa
lengkung 1 dengan
jari-jari
lengkung sebesar 880 mm dan
diameter dalam
pipa sebesar
202.7 mm adalah 42105 Pa,
Sedangkan nilai pressure drop
terkecil ada pada lengkung 7
dengan jari-jari lengkung sebesar
2440 mm dan diameter dalam
pipa sebesar 574.6 mm adalah 767
Pa, Kemudian untuk nilai SG
inlet av static pressure tertinggi
yaitu 143430 Pa terdapat pada
pipa lengkung 1, sedangkan yang
terendah, yaitu sebesar 102092 Pa
terdapat pada pipa lengkung 7.
6. Dari semua analisis yang telah
dilakukan dapat disimpulkan
bahwa untuk pengaplikasian
distribusi air yang terbaik adalah
pada pipa lengkung 7 dengan jarijari lengkung sebesar 2440 mm
dan diameter dalam pipa sebesar
574.6 mm, dikarenakan nilai
pressure drop pada pipa tersebut
terendah, sehingga menghemat
energi yang diperlukan dalam
pendistribusian air.
5.2
Saran
Bagi yang ingin melanjutkan penelitian ini
penulis ingin memberikan saran yang dapat
membantu, diantarnya adalah :
1. Pada saat pembuatan model harus
dilakukan
dengan
dimensi
ukuran yang benar, serta diberi
input material, yang sesuai objek
yang akan dianalisis karena akan
berpengaruh pada hasil analisis
yang dilakukan.
2. Pada saat pembuatan model
analisis aliran internal harus
dibuat lid atau sumbatan agar
model, bisa dianalisis oleh
software CosmosfloWorks. Hal
ini bisa diteliti dengan bantuan
check geometry yang ada pada
command floworks. Dan juga hal
yang menentukan hasil analisis
paling vital adalah penentuan
boundary condition dan goal
yang sesuai dengan data input
yang ada.
DAFTAR PUSTAKA
1. Streeter, V. L., and Wylie, E.
Benjamin., Mekanika Fluida,
Erlangga,Jakarta, 1993.
2. Raswari, Teknologi dan
Perencanaan Sistem
Perpipaan, Universitas
Indonesia, Jakarta, 1987.
3. Munson, Bruce R., and
Young, Donald F., Mekanika
Fluida, Erlangga, Jakarta,
2005.
4. M. Olson, Reuben., and
Wright, Steven J., DasarDasar Mekanika Fluida
Teknik, Gramedia Pustaka
Utama, Jakarta, 1993.
5. Situs internet :
http://www.ttb.com diakses
tanggal 28 Agustus 2009
6. Situs internet : http://agusfikri.blogspot.com diakses
tanggal 28 Agustus 2009
7. Situs internet :
http://www.hondabend.com
diakses tanggal 28 Agustus
2009
8. Situs internet :
http://www.sunnysteel.com
diakses tanggal 28 Agustus
2009
9. Technical Paper No. 410M,
Flow of Fluids Through
Valves, Vittings, and Pipe,
Crane, New York, 1982.